Графен – как основа новых материалов для генерации электроэнергии
В 2010 шведская Академия присудила Нобелевскую премию по физике Андрею Гейму и Константину Новоселову за открытие двумерной формы углерода – графена. Несмотря на достаточно короткий период исследований его свойств, графен уже сыграл свою важную роль в судьбоносных для человечества технических революционных открытиях.
Благодаря своему строению графен (углеродная пленка толщиной в один атом, кристаллическая решетка которой имеет форму сетки из шестиугольников) стал самым тонким, электро- и теплопроводящим материалом в мире, который к тому же отличается гибкостью и невероятной прочностью. Высокая механическая прочность сочетается в нем с легкостью, гибкостью, эластичностью, электропроводностью и биосовместимостью.
Применение графена и наноматериалов на его основе позволяют найти ему самое широкое применение в медицине, аэронавтике, телекоммуникации и т.д., но отдельно следует остановиться в вопросе производства энергии.
Так, например, группа ученых из University of Arkansas в независимых исследованиях подтвердили уже заявленное ранее научно-исследовательской группой Neutrino Energy Group открытие, что наноматериалы на основе графена могут стать практически неисчерпаемым источником экологически чистой энергии, и показали, что волнообразные колебания графеновой пленки и являются этим неисчерпаемым источником. Микроскопические процессы в листе графена, состоящего из одного слоя атомов углерода, нанесённого на медный лист, учёные наблюдали с помощью микроскопа.
Анализируя это явление, они сделали удивительное и очень значимое открытие — в графене возникала волна, подобно волнам на поверхности моря, возникающая из-за комбинации небольших спонтанных движений и приводящая к появлению более крупных спонтанных движений. Тепловое смещение (броуновское движение атомов) одного атома, суммируясь с тепловыми смещениями других атомов, вызывает появление поверхностных волн с горизонтальной поляризацией, известных в акустике как волны Лява. Из-за особенностей кристаллической решётки графена его атомы колеблются как бы в тандеме, что отличает подобные движения от спонтанных движений молекул в жидкостях.
В интервью журналу Research Frontiers профессор Тибадо (University of Arkansas) сказал: «Это ключ к использованию движения 2D-материалов в качестве источника неиссякаемой энергии. Тандемные вибрации вызывают рябь в листе графена, что позволяет извлечь энергию из окружающего пространства, используя новейшие нанотехнологии».
Ученые из Арканзаса также планируют провести эксперименты с использованием других двухмерных и условно двухмерных материалов, среди которых может обнаружиться материал, демонстрирующий большую эффективность в производстве электрической энергии, нежели графен.
Наибольший интерес в этой области исследований, конечно, представляют результаты использования графена в многослойном наноматериале, изобретенном немецко- американской компанией Neutrino Energy Group. Компанию по праву можно назвать первопроходцем в этой области, раньше всех начавшую фундаментальные исследования свойств графена с целью применения его в наноматериале для генерации постоянного тока при воздействии на наноматериал космических частиц невидимого спектра излучения. Этот материал назван в честь его изобретателя и координатора проекта Neutrino Energy «нейтрино - элемент Шубарта». Он представляет из себя 12ти - слойное покрытие из различных по геометрии, плотности и толщине слоёв легированного углерода и кремния, нанесённых на тонкий металлический носитель (фольгу). Общая толщина такого покрытия имеет наноразмер.
«Нейтрино - элемент Шубарта» является основой Neutrinovoltaic технологии – инновационного способа генерации постоянного тока под воздействием космических частиц невидимого спектра излучения.
Когда нейтрино проходят через слои покрытия, они не «улавливаются» материалом, а передают графену вертикальные импульсы, в то время как частицы кремния движутся в горизонтальном направлении. Когда слои имеют оптимальную толщину и геометрию, эти атомные колебания создают резонанс, который переносится на материал-носитель, и результирующая энергия снимается с металлического носителя в виде постоянного тока. Покрытая сторона металлического носителя представляет собой положительный полюс, а непокрытый - отрицательный.
В настоящее время ученые Neutrino Energy Group получают стабильную выходную электрическую мощность в лабораторных условиях 2,5-3,0 Вт от нейтрино-элемента Шубарта (показатель при размере листа А-4). Отличительной особенностью нейтринного источника тока является возможность размещения нейтрино-элементов Шубарта одного над другим в виде стопки спрессованной бумаги, соединяя их последовательно. Таким образом получается очень компактный источник постоянного тока, при этом выходную мощность нейтринных источников постоянного тока можно изменять в зависимости от количества нейтрино-элементов Шубарта и их площади поверхности.
Таким образом, согласно последним исследованиям, использование графена в энергетической отрасли приведёт к технологической революции в производстве энергии в уже в ближайшие 10-15 лет. Первые шаги в этом направлении уверенно и убедительно сделала компания Neutrino Energy Group, заявив миру о создании уникального источника постоянного тока, способного найти свое самое широкое применение во многих отраслях экономики от электрогенерации до автомобильной индустрии.
